優化設計MAX4990高電壓DC-AC轉換器，用于EL燈驅動

摘要：場致發光(EL)燈上的交流波形(電壓和頻率)直接影響燈的亮度、電流大小以及輻射光的顏色，調整輸出波形擺率會影響燈本身產生的音頻噪聲。因此，必須根據每一應用的需求優化MAX4990電路。本應用筆記提供了電路優化的相關信息，介紹MAX4990采用的最佳外部元件。

引言

MAX4990是設計用于驅動場致發光(EL)燈的高壓DC-AC轉換器。為產生驅動EL面板需要的高壓，MAX4990采用了一個高頻升壓變壓器，以及一個高電壓、全橋輸出級來產生適合驅動EL燈的高壓交流波形。MAX4990的專用音頻噪聲抑制電路控制驅動EL面板的AC電壓擺率，從而減小了音頻噪聲。

MAX4990提供DIM引腳，使用戶能夠通過PWM或者直流模擬電壓，或者連接一個電阻至GND，設置EL輸出電壓。利用DIM引腳上和電阻并聯的一個電容，用戶可以設置MAX4990慢接通/關斷時間。

EL燈的亮度、電流大小和輻射燈光的顏色受到燈上交流波形(電壓和頻率)的影響。調整輸出波形擺率會影響燈本身產生的音頻噪聲。因此，必須根據每一應用的需求來優化MAX4990電路。本應用筆記討論MAX4990應采用的電路優化措施，以及外部元件的選擇。

EL燈及其屬性

EL燈在制造中采用了絕緣材料上均勻分布的磷粒子光輻射層。這些層夾在底層電極和透明電極中間，在電極上覆蓋了保護聚合層。

一般可以把EL燈當做電容，如圖1所示。


圖1. 簡化的EL燈結構圖，顯示了其電阻和電容

當EL燈電極被加上交替改變的電壓時，上能級的磷電子(價電帶)被激發，躍遷到更高能級。然而，高能級不穩定，所以，被激發的電子返回到最初能級，釋放一個光子。由于磷粒子均勻分布，因此，EL燈輻射的光在燈表面看起來非常柔和。

頻率變化會影響輻射光的顏色，而電壓和頻率都會影響EL燈的亮度。提高電壓或者頻率會增強燈的亮度，但也會影響燈的使用壽命。一般而言，和提高電壓相比，提高燈的頻率(f_EL)會更迅速減少燈使用壽命。EL燈的使用壽命一般采用亮度減半時的工作時間(TTHL)，即，“半亮度壽命”時間表示，它是在一定電壓和頻率下，EL燈亮度降至最初亮度一半時的時間。TTHL標準通常由EL燈生產商提供，規定以千小時表示。手持產品中，燈不需要始終打開，TTHL一般不是大問題。

一般有兩類EL燈：高壓EL燈和低壓EL燈。高壓EL燈閾值電壓要比低壓EL燈高得多，意味著高壓EL燈需要較高的峰峰值電壓才能點亮。高壓EL燈需采用變壓器驅動電路進行驅動，而低壓EL燈采用基于IC的EL驅動電路進行驅動。因此，針對每一應用選擇合適的EL燈是優化電路的第一步。

MAX4990電路優化

電路優化包括選擇外部元件，以滿足每一EL面板應用需要的參數。這些參數包括：輸出電壓、電流、燈頻率、燈亮度要求、燈產生的音頻噪聲，以及輸出波形等。

DC-DC轉換

通過升壓變壓器來產生較高的直流輸出電壓。升壓變壓器(圖2)包括：內部DMOS開關(Q)、內部開關振蕩器、外部電感(L_X)、外部快速逆向恢復二極管(D)，以及外部高壓電容(C_S)。


圖2. 用于產生較高直流輸出電壓的升壓變壓器

當開關Q接通/關斷時，電感L_X被沖放電。通過二極管D釋放的能量存儲在電容C_S中。

可以按照以下方法設置L_X的開關頻率(f_SW)：

1. SLEW和SW引腳上的R_SLEW電阻和C_SW電容(分別)連接至GND，如圖3所示。
   
   
   圖3. SLEW引腳上的電阻和SW引腳上的電容一起用于計算L_X開關頻率
   
   按下式計算L_X開關頻率：
   
   
   
   
2. 直接將PWM信號驅動至SW引腳，如圖4所示。
   
   
   圖4. 90%占空比PWM信號被驅動至SW引腳
   
   

由于需要確定升壓變壓器是否能夠提供應用所需要的電流，而且不會導致電感飽和，因此，電感的選擇非常重要，必須非常小心電感的電流飽和電平。按下式來計算電感(I_LX)上的電流：



其中：
V_IN = 電感供電電壓
R_LX = 電感阻抗
L_X = 電感值
R_Q = 內部DMOS開關阻抗
f_SW = 電感開關頻率
t_ON = (占空比)/f_SW = 內部MOSFET開關接通時間

在確定電感是否飽和時，如果沒有電流探針，則必須監控L_X和D (圖5)之間節點上的波形。


圖5. 紅色圓圈顯示，應在此放置示波器探針來探測電感是否飽和

圖6顯示，怎樣探測電感是否進入飽和狀態。下面的電壓波形并沒有線性增加，而是彎曲向上，表明電感開始飽和。


圖6. 當波形彎曲向上，而不是線性增加時，表明電感開始飽和

在正常工作范圍內的電感波形與圖7中的相似。下面的電壓波形線性增加，表明電感沒有飽和。


圖7. 下面的波形線性增加表明沒有出現電感飽和

為防止電感出現飽和，必須使用較短的接通時間(快速f_SW)。這可以在SW引腳至GND之間使用較小的C_SW來實現，也可以使用頻率較高的PWM信號來實現。

我們還需要確定L_X有足夠的時間通過外部二極管將其存儲的能量釋放給C_S，從而防止電感飽和。這通過為L_X選擇合適的f_SW來實現。

由于二極管必須含有從L_X傳送給C_S的所有能量，所以，二極管的逆向恢復時間非常重要。因此，建議MAX4990采用逆向恢復時間較快的二極管，例如BAS21或者BAS20等。

需要根據燈大小以及輸出波形能夠承受的波紋量來選擇C_S值。一般而言，建議使用的C_S值是EL燈電容的值1/10。對于任意給定的f_SW，較大的C_S值減小了輸出波形的波紋。當選擇較小的C_S值時，一般建議采用較大的電感開關頻率。

EL燈的輸出波形

MAX4990使用高電壓、全橋輸出級將升壓變壓器產生的高電壓轉換為適合驅動EL面板的交流波形。調整輸出電壓、輸出波形擺率、慢接通和關斷，以及輸出波形頻率來最大程度地優化電路，針對每一應用獲得最佳結果。

EL驅動電路優化取決于很多不同的變量。電路優化的最佳方法是針對每一應用對變量進行優先級排列。例如，由于EL燈用于背光目的，燈亮度可以設置為固定值，從而減少了對變量的設置，簡化了優化過程。

EL燈的輻射光亮度和顏色取決于輸出電壓頻率。根據燈的顏色，必須使用不同的頻率范圍。

優化輸出波形的第一步是基于所需要的燈顏色來選擇合適的f_EL。

通過以下方法來調整燈頻率：

1. SLEW和EL引腳的R_SLEW電阻和C_EL電容(分別)連接至GND。按下式計算f_EL：
   
   
   
   
2. 在EL引腳加上時鐘信號。在這一例子中，f_EL是時鐘頻率的1/4。

燈亮度隨頻率的提高而增強，如圖8所示。請記住，在輸入電壓不變，當f_EL增大時，需要更大的電流值來驅動燈。


圖8. EL燈的亮度和頻率同時增大

選擇了f_EL之后，必須選擇燈的峰峰值電壓(V_P-P)，以獲得所需的亮度。通過以下方法來控制交流V_P-P：

1. R_DIM和R_SLEW組合，按下式計算：
   
   
   
   
2. 在DIM引腳加上PWM信號。PWM信號的占空比在內部從0轉換到1.22V。
3. 在DIM引腳加上DC電壓。將DC電壓從0.35V提升到1.3V，使燈V_P-P電壓從70V增大到250V。

隨著燈上輸出電壓的增大，EL燈亮度也隨之增強(請參考圖9)。要提高燈上的電壓，需要從電感輸入電壓源吸收較大的電流。


圖9. 隨著V_P-P的增加，EL燈亮度也隨之增強

對于對音頻噪聲敏感的應用，輸出波形擺率非常重要，因為用戶可以通過它來調整輸出波形，從而減小EL燈產生的音頻噪聲。

通過R_SLEW來控制輸出波形的擺率，該電阻連接在SLEW引腳和GND之間。可以按照下式來計算這一擺率：



理想的輸出擺率能夠減小燈產生的音頻噪聲，它與燈的大小和機械封裝有關。因此，在針對燈選擇f_EL時，必須考慮封裝的共振頻率。

在降低燈產生的音頻噪聲時，一般認為正弦波形是最佳選擇。然而，在一定的電壓和頻率下，正弦波產生的亮度要比方波低。因此，必須根據每種應用的需要來優化每一電路。

隨著輸出波形擺率的降低，EL燈產生的音頻噪聲隨之降低，吸收的電流也在減小。而較慢的擺率會降低燈亮度，如圖10所示。


圖10. 燈亮度隨著擺率的降低而降低

要恢復由于擺率降低導致的亮度損失，需要提高燈的V_P-P。這很容易通過提高輸出電壓，在給定輸入電壓下使用較低的f_SW實現。較低的f_SW延長了電感接通時間，使電感能夠存儲更多的能量，在每個周期中把更多的能量傳送給C_S。

在對音頻噪聲敏感的應用中，不建議對輸出波形進行穩壓(即，輸出波形在頂部不應有平臺)。針對應用選擇了擺率后，必須調整輸出電壓以獲得燈上的最佳波形。

當使用MAX4990時，對于音頻噪聲敏感的應用，其最佳波形如圖11所示。


圖11. 適合對音頻噪聲敏感應用的波形

MAX4990還具有另一特性，使其更適合很多應用—其慢接通/關斷時間實現了EL燈逐漸接通(漸亮)和關斷(漸暗)。

通過將電容C_DIM和R_DIM并聯至GND來控制這一慢接通/關斷特性(圖12)。


圖12. C_DIM與R_DIM并聯至GND

慢接通/關斷時間是R_DIM和C_DIM上電壓緩慢減小的結果，可以按下式來近似計算：





圖13顯示了使用C_DIM和并聯R_DIM后對EL燈慢接通/關斷的影響。

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圖13. C_DIM與R_DIM并聯至GND時，MAX4990的慢接通/關斷

優化MAX4990電路

當使用MAX4990來優化EL燈電路時，必須按照以下步驟來進行：

1. 使用R_SLEW = 100kΩ。以后可以改變R_SLEW來優化/減小燈產生的音頻噪聲。
2. 根據輸入電壓以及燈大小來選擇電感值。一般而言，當使用MAX4990，驅動燈時，建議電感值在100μH至330μH的范圍。從您的供應商那里，針對自己的應用來選擇合適的電感(請參考MAX4990數據資料的第11頁，了解所推薦的電感)。
3. 選擇合適的C_SW值，設置f_SW初始值，防止電感飽和，提供燈上所需要的輸出電壓。建議選擇較小的C_SW值，以較快的f_SW開始，然后提高這一數值，以保證電感不會進入飽和。
4. 選擇C_EL初始值，提供合適的f_EL，以減小R_SLEW值。
5. 為獲得所需的亮度，通過選擇合適的R_DIM值來設置輸出電壓。
6. 在1nF至10nF之間選擇C_S值，使輸出波形頂部的波紋最小。一般而言，對于體積較大的燈，需要使用較大的C_S值。如果采用了某一C_S值，重新調整f_SW，以減小輸出波形頂部的波紋。在大多數情況下，EL燈電容1/10的C_S值足夠了。
7. 根據您具體應用的音頻噪聲要求，使用合適的R_SLEW值，選擇合適的輸出擺率(dV/dt)。音頻噪聲隨著燈上波形擺率的減小而降低。
8. 根據所選的R_SLEW值，調整C_SW和C_EL值，獲得合適的燈和電感開關頻率。在大多數情況下，只需要調整C_EL就可以獲得所需的f_EL。
9. 通過調整R_DIM值，再次設置輸出電壓，以獲得所需的亮度。
10. 重復步驟2到步驟8，直到您對實際應用的輸入電壓的電流吸收感到滿意。
11. 根據設置的R_DIM值來選擇C_DIM，以獲得所需的慢接通/關斷時間。

使用MAX4990評估套件進行電路優化

MAX4990評估套件(EV kit)對實際應用電路進行初步優化。利用該評估套件，用戶能夠通過單獨的板上可調電容和電阻來設置f_SW、f_EL、輸出電壓和輸出波形的擺率。

利用板上的555定時器，用戶可以選擇不同的電感開關頻率以及f_EL，不需要改變C_SW和C_EL值，R_SLEW值不會對這些頻率有影響。

建議采用以下儀表設備來優化MAX4990電路：

1. 電源。
2. 萬用表和電源串聯以測量電流吸收。
3. 雙通道示波器來監視波形，以及燈上波形的變化(一個通道連接V_A，另一通道連接V_B；如果需要，在V_B置反信號上增加V_A來觀察燈上的差分電壓)。
4. 需要燈生產商提供的電壓和頻率亮度測量標準或者規范，以獲得一定的亮度。

以下過程詳細介紹了在驅動20nF綠燈時，如何使用MAX4990評估套件優化電路，當V_DD = V_BATT = 3.6V時，提供37cd/m2，f_EL = 400Hz。注意，評估套件使用的電感是TOKO提供的220μH電感(D312C系列，序號1001BS-221M)，其C_S值是3.3nF (150V)。

在MAX4990評估套件中使用555定時器來優化電路時，需要按照以下步驟在JU4和JU5上放置跳接器：

1. JU1位于2和3之間，設置VR1為0Ω。正確設置JU4和JU5跳線。
2. 使用3.6V電源對評估套件供電，EL燈與電源連接，JU8置位。
3. 使用VR3設置f_EL為400Hz。
4. 使用VC1將電流消耗置為最小值。
5. JU3放置在1和2之間，使用VR2設置輸出電壓，使電路不在穩壓狀態。這意味著，輸出波形頂部沒有平臺，如圖14所示。
   
   
   圖14. MAX4990評估套件沒有處于穩壓狀態
   
   V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
   I_DD = 26mA、亮度 = 24.6cd/m2、R_SLEW = 100kΩ (R1 = 100kΩ，評估套件上VR1 + R1)、R_DIM = 73.8kΩ。
   
   
6. 測量f_SW。這可以通過擴展V_A或者V_B的時間量程來實現，直至看到輸出波形的最小步長，如圖15所示。
   
   
   圖15. 可以測量步長時間來確定f_SW
   
   觀察V_A或者V_B的上1/3，測量步長寬度(t_STEP)，計算：
   
   
   
   
7. 通過VC1改變f_SW，增加輸出電壓，使其能夠提供所需的亮度(圖16)。
   
   
   圖16. 達到了足夠的亮度級
   
   V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
   I_DD = 46mA、亮度 = 35.2cd/m2、R_SLEW = 100kΩ、R_DIM = 73.8kΩ
   
   
8. 檢查波形，確定電感沒有飽和，如圖17所示。
   
   
   圖17. 波形顯示沒有出現電感飽和
   
   
9. 按照步驟6的方程8計算f_SW (圖18)。
   
   
   圖18. 測量步長時間來確定f_SW
   
   
10. 對于對音頻噪聲敏感的應用，重復進行步驟5 (圖19)。
    
    
    圖19. 波形沒有平臺，顯示器件沒有處于穩壓狀態
    
    V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
    I_DD = 53mA、亮度 = 38.5cd/m2、R_SLEW = 100kΩ、R_DIM = 87kΩ
    
    
11. JU1位于2和3之間，使用VR1來改變輸出波形上升沿和下降沿的擺率。注意，較快的擺率(dV/dt)提供較強的亮度，但也導致EL燈產生較大的音頻噪聲(圖20)。
    
    
    圖20. 擺率調整
    
    V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
    I_DD = 45mA、亮度 = 33.5cd/m2、R_SLEW = 120.9kΩ、R_DIM = 87kΩ
    
    
12. 重復步驟5，確定器件沒有處于穩壓狀態(圖21)。
    
    
    圖21. 再次檢查波形，確定器件沒有處于穩壓狀態(沒有波形平臺)
    
    V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
    I_DD = 52mA、亮度 = 38cd/m2、R_SLEW = 120.9kΩ、R_DIM = 114.7kΩ
    
    
13. 重復步驟8，檢查電感飽和(圖22)。
    
    
    圖22. 從波形可以看出，電感沒有飽和
    
    
14. 重復步驟11，改變擺率(圖23)。
    
    
    圖23. 需要進行擺率調整，以避免出現波形平臺
    
    V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
    I_DD = 36mA、亮度 = 27.7cd/m2、R_SLEW = 178kΩ、R_DIM = 87kΩ
    
    
15. 重復步驟5，確定器件沒有處于穩壓狀態(圖24)。
    
    
    圖24. 波形頂部沒有平臺，表明器件沒有處于穩壓狀態
    
    V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
    I_DD = 49mA、亮度 = 36.9cd/m2、R_SLEW = 178kΩ、R_DIM = 181.8kΩ
    
    
16. 重復步驟7、8、9、11和5 (按這一順序)，直到您的應用獲得了所需的亮度，以及合適的波形(圖25和圖26)。
    
    
    圖25. 重復步驟8來檢查電感飽和
    
    
    圖26. 重復步驟5，表明器件沒有處于穩壓狀態
    
    V_DD = 3.6V時，測量以下參數：
    I_DD = 56mA、亮度 = 37.5cd/m2、R_SLEW = 260.5kΩ、R_DIM = 239.4kΩ
    
    
17. 使用步驟6的方程8來計算f_SW (圖27)。
    
    
    圖27. 在步驟6中，可以測量步長時間來確定f_SW
    
    使用方程8，計算：
    
    
    
    
18. 測量R_DIM和R_SLEW值。
    
    R_DIM = 239.4kΩ
    R_SLEW = 260.5kΩ
    
    
19. 注意，R_SLEW值應該是VR1 + 100kΩ上的值，這是因為評估套件上VR1串聯了一個100kΩ電阻。當測量VR1和VR2值，確定評估套件斷開了電源連接。
    
    
20. 測量了f_SW、f_EL (400Hz)以及R_SLEW和R_DIM值之后，使用方程1和方程3來計算電路所使用的C_SW和C_EL值：
    
    
    
    
    
    
21. 根據計算值，為您的電路選擇最相近的電容值。可能需要根據所選的C_SW和C_EL值對R_SLEW和R_DIM稍作調整。
    
    
22. 根據設置的R_DIM值來選擇C_DIM，以獲得所需的慢接通/關斷時間。

如果用戶采用商用電感來替代評估套件上的電感，需要根據新電感來重新優化電路。此外，改變燈的大小以及輸入電壓也需要重新優化電路。

當使用555定時器時，如果需要改變f_SW以優化電路，用戶應確定f_SW的占空比(DC)范圍在88%至90%之間。按照以下方程來設置DC范圍：

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